基于AWG/RTSA 的PD 雷达信号模拟和相参分析方法

黄坤超

(中国西南电子技术研究所, 成都610036)

1 引 言

脉冲多普勒(Pulse Doppler,PD)雷达是利用多普勒效应探测运动目标的全相参脉冲雷达。由于其超强的杂波抑制产生能力,尤其针对固定目标或低速目标,20 世纪以来,全球许多研发生产机载雷达的企业越来越多地采用PD 雷达体制。随着技术的发展突破,PD 雷达系统功能指标日益强大复杂,系统各部分调试工作量和难度随之越来越大,外场实验成本也相应增加。雷达信号模拟器作为PD 雷达研制和调试的必备工具,其重要性不言而喻。雷达信号模拟器作为模拟技术与雷达技术相结合的产物,它通过模拟的方法产生雷达回波信号,以便在实际雷达系统前端不具备的条件下对雷达系统后级进行调试[1]。它的重要作用是对雷达数字信号处理机进行调试,其本身的实现也在随着数字信号处理技术的发展大量采用数字技术。脉冲多普勒体制由于其较强的杂波抑制能力而广泛应用于各种类型的雷达,但是在脉冲多普勒体制雷达模拟器中杂波的因素需要重点考虑,正是因为脉冲多普勒体制的杂波抑制特性,所以回波模拟器模拟杂波才能验证脉冲多普勒雷达的目标检测、虚警处理等性能。所以回波模拟器的杂波特性是PD 雷达回波模拟器很重要的需求。同时,由于PD 雷达要求脉冲信号全相参,PD 雷达采用相参处理来抑制主瓣杂波,以提高目标的检测能力和辅助进行目标识别或分类,所以对脉冲信号的相参分析也是PD 雷达的重要工作。

长期以来,在PD 雷达的研发设计生产中,回波模拟器设计制作复杂,相参分析耗费时间长,这些困扰研发测试人员太多精力。笔者根据多年研究经验,结合测试技术的发展和新式测量仪器的推出,经过多次实验验证,总结出一种基于电子测量仪器AWG/RTSA 的简单方法,可一定程度提高PD 雷达研发生产效率。

2 PD 雷达的回波特点以及杂波信号模拟

2.1 PD 雷达回波特点

PD 雷达回波不但有运动的目标回波,而且复杂的杂波特性是PD 雷达的特点,由于PD 雷达多为对地照射,所以来自地面和固定地面等物体的回波功率远远大于目标的回波功率[2]。来自各种散射体的杂波回波对PD 雷达的设计影响很大,同样也会影响对点目标的检测概率。这些杂波散射体包括地貌(地面和水面)、雨、雪和箔条。由于PD 雷达通常所使用的天线具有一个高增益的主波束,所以当雷达俯视时,主波束杂波是雷达处理的最大信号。窄波束将主波束杂波的频率范围限制在多普勒频谱的一个较小的频段内[3]。天线方向图的其他部分由副瓣组成,产生副瓣杂波。这些杂波通常远小于主波束杂波,但却覆盖了很宽的频段。来自雷达正下方地面的副瓣杂波(高度线杂波)常常较大,这是因为地面在大入射余角时的反射系数大,地面的几何面积较大和地面的距离近。在副瓣杂波区中,只要杂波接近或是超过接收机噪声电平,目标的测距性能都将下降。

通过脉冲多普勒体制,可以在频谱上将目标回波落在无杂波区,PD 雷达的发射频谱由位于载频f0和边带频率f0±ifR上的若干离散谱线组成。其中fR为PRF, i 为整数。频谱的包络由脉冲的形状决定。对常用的矩形脉冲而言, 其频谱的包络是(sin x)/x 。固定目标的接收频谱谱线有正比于雷达平台和目标之间视线或径向速度的多普勒频移[4]。电磁波往返的多普勒频移为

式中,λ为雷达波长,VR为雷达平台的速度, ψ0为速度矢量和目标视线之间的夹角。

杂波的模拟是PD 雷达回波模拟的重点,来自距离R 处,增量面积为d A 的单块杂波区的杂波噪声比为C/N,其与平均发射功率的工作波长、杂波区方向的发射增益GT、接收增益GR、系统噪声温度等因素相关,每一因素均会对其结果数据带来直接影响。

2.2 PD雷达回波模拟难点

根据杂波噪声比计算公式为

式中,Pav为平均发射功率, λ为工作波长, σ0为杂波后向散射系数,Lc为杂波损耗因子, GT为杂波区方向的发射增益,GR为杂波区方向的接收增益, k 为玻耳兹曼常数, Ts为系统噪声温度,Bn为多普勒滤波器带宽。

可以对地杂波进行模拟,但是对这种具有一定概率分布的相关序列的调制过程直接模拟有比较大的计算量,所以如何快速准确地模拟雷达杂波在雷达信号模拟器的设计中是十分重要的[5]。要模拟的杂波有很多,有主瓣杂波和副瓣杂波,如果不能真实地将杂波类型和特点模拟出来,将无法验证雷达处理机将杂波和目标分离的性能。

传统的雷达回波模拟器的实现方式有多种。一种可以通过硬件的方式进行设计,但是通用性会较差。另一种方式是存储转发方式的回波模拟,该方式是现在比较通用的一种方式,其原理是先用AD采集卡进行信号采集,然后经过信号的处理,再用DA 将信号转发出去,适合实时性比较强的回波模拟[6],但是由于处理能力有限,限制了对复杂电磁环境的模拟能力,不适合PD 雷达的模拟。第三个常用的方法是通过DA 的方式来实现波形的编辑输出,并通过变频和放大模块最后实现波形输出,该方式的回波模拟器的通用性不好,受限于DA 的速度,编辑波形工作复杂。

2.3 基于AWG 的PD 雷达回波模拟方法

多年来,如何保质高效地进行PD 雷达回波模拟一直是PD 雷达研制的难点,业界不断地在完善上述常规方法,同时各顶尖测试仪器厂家也在不断努力研究开发新型高端电子测量仪器以满足用户的需求。随着仪器技术的发展,相关仪器厂家推出了一种高性能的任意波信号发生器(AWG),根据其功能原理结合本人多年的研究经验,经过多次的测试和验证,总结出一种基于AWG 的PD 雷达回波模拟仪器模拟简单方法。

基于PD 雷达回波信号的特点,这是一种基于高性能任意波信号发生器的PD 雷达回波模拟方法,目前有一款双通道超宽带任意波信号发生器,可以产生单通道4.8 GHz(双通道复用下达9.6 GHz)的信号,或I、Q 两路各4.8 GHz的基带信号,可以直接产生信号的射频(9.6 GHz或以下)、中频和基带信号。图1 为AWG 的原理框图。

图1 AWG 原理框图Fig.1 Principle diagram of AWG

AWG 的工作原理也是将写好的数据通过DA转换,并通过滤波和放大后输出,其特点在于高速的DA和方便的操作性更容易对复杂的电磁环境和杂波进行模拟。新型AWG 配合其自带的RFexpress 软件可以方便地实现对PD 雷达信号杂波的设置,只需要进行一些简单的设置就可以将杂波的模型构建出来,从而生成现实信号。图2 为AWG 回波信号设置界面。

图2 AWG 回波信号设置界面Fig.2 Interface of AWG echo signal setting

AWG 可以方便地设置回波信号的相参性与否,按照回波特性的分类可以分成脉冲包络参数设置(PRF、PW、SCR 等)、PRI 的参差设置、脉冲压缩方式的设置(如线性调频、巴克码等)捷变频设置、脉冲不平衡设置、多路径设置、天线参数设置、杂波(Clutter)参数设置。除此之外,还可以进行I、Q 不平衡的设定,以及附加干扰信号的设定、发射机S 参数的设置。图3 为杂波设置界面。

图3 杂波设置界面Fig.3 Interface of clutter setting

如果按照公式编辑杂波,是比较麻烦的事情,AWG 是唯一一个用简单的填入式方法实现了复杂的杂波参数设置的回波模拟器,实际上这是建立了一个回波的模型,通过设置参数实现对回波模型的建立。在设置界面里,可是设置时域参数和频域参数。首先可以设置信杂比(SCR),用dB 数表示。杂波的宽度可以在持续时间(Duration)选项里设置。一般地,在杂波参数的概率密度统计模型(Statistical Profile)中,概率密度函数(PDF)和功率谱两个参数是用来描述杂波变化规律的。首先,杂波产生的机理与杂波的PDF 有关, 因此地杂波、海杂波、气象杂波的回波特点各不相同。通常海杂波服从正态分布,气象杂波服从瑞利分布, 地杂波则服从韦伯分布。另一方面,雷达与杂波的相对运动和雷达系统的参数则决定了杂波的功率谱。这里, 雷达与杂波的相对速度决定了杂波谱的中心频率;雷达与杂波的相对加速度则决定了杂波谱展宽的程度。此外,杂波谱的展宽还与雷达系统参数有关, 如天线波束形状的调制、本振频率的抖动等。杂波谱的形状则一般采用高斯函数型, 所以在功率谱密度设置项(Power Spectral Density)里面选高斯,高斯带宽(Gaussian Bandwidth)设置里面可以设置合适的带宽。在杂波频率偏置(Clutter Frequency Offset)设置里,可以设置目标回波信号的频谱与杂波频谱的频率间隔,这个间隔可以调节。

对于PD 雷达,尤其是机载多功能多任务的雷达来说,不同的照射方向会使用不同的脉冲波形,这种变化的脉冲雷达波形可以通过AWG 的简单脉冲组功能设置就可以实现。

3 基于RTSA 的PD 雷达相参分析方法

PD 雷达一般采用相参处理来抑制主瓣杂波,以提高目标的检测能力和辅助进行目标识别或分类,所以相参脉冲串的相参性测量一直是PD 雷达最为关注的测量项目。同样,根据实时频谱技术的应用和高性能实时频谱分析仪的问世,我们可以方便地利用实时频谱分析仪(RTSA)来实现脉冲串的相参性分析。图4 显示的就是实时频谱仪采集的雷达回波信号并进行雷达参数的分析。

图4 雷达回波信号频谱和参数分析Fig.4 Echo signal spectrum and parameter analysis

在进行测量之前需要针对被测信号对实时频谱仪进行相应的设置:如采样率、滤波器带宽和类型、Holdoff 时间以及选择雷达信号的类型等,这些设置的选择会影响到测量结果的正确性和精度。从图4中可以看到,被选择分析的脉冲的第一个被确定为参考脉冲,认为其相位差为0°,后面的脉冲的相位差值都是和它进行比较所得到的结果。同时,该分析条件还可以对测量所得到的数据进行统计分析和趋势图分析,如图4 中左上的窗口。

相参技术是抑制海、地固定杂波、箔条等体分布慢动杂波和提取运动目标的最有效的技术措施,对提高雷达低空探测能力和提高机载雷达下视工作有重要的作用,已在现代雷达中广泛使用[7]。实时频谱仪的相参测试解决了以往无法直接对相参信号进行测量的难题,大大提高了雷达研发工程师对雷达系统相参性的评估能力。

4 总 结

PD 雷达的回波模拟和相参分析是PD 雷达测试和验证中必须要做的事情,其复杂性和难度直接关系到研发生产的效率。本文介绍了AWG 方法产生回波信号和杂波信号的方法,方便地实现了复杂回波的模拟。同时,还介绍了一种实现相参测量的简单方法,借助RTSA 可以方便地测量PD 雷达脉冲串的相参性。这些都是得益于现代测量仪器任意波信号发生器和实时频谱分析仪的快速发展,也是笔者多年的研发测试经验总结,希望能供业界参考。

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